JP2014003022A - 炭素注入中のイオン源寿命を延長し、イオン源性能を向上するための方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭素注入中にイオン源の寿命を延長し、イオン源の性能を向上するための新規な方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】炭素イオン注入プロセスは、一酸化炭素及び１種以上の、式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される炭素を伴うフッ素含有ガスを含むドーパントガス混合物を利用することを含む。前記少なくとも１種の炭素を伴うフッ素含有ガスは、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１２体積％の量で前記混合物中に含まれている。フッ素化物イオン、ラジカル又はそれらの組み合わせが、イオン化された前記ドーパントガス混合物から放出され、実質的に炭素由来の堆積物と、反射電極、引き出し電極及びチャンバーの表面の少なくとも１つに沿って反応して堆積物の全体量を低減する。このようにして、単一のドーパントガス混合物により、炭素イオンの供給と、炭素注入中に典型的に遭遇する広範な問題堆積物の除去及び排除とが可能になる。
【選択図】図１
【解決手段】炭素イオン注入プロセスは、一酸化炭素及び１種以上の、式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される炭素を伴うフッ素含有ガスを含むドーパントガス混合物を利用することを含む。前記少なくとも１種の炭素を伴うフッ素含有ガスは、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１２体積％の量で前記混合物中に含まれている。フッ素化物イオン、ラジカル又はそれらの組み合わせが、イオン化された前記ドーパントガス混合物から放出され、実質的に炭素由来の堆積物と、反射電極、引き出し電極及びチャンバーの表面の少なくとも１つに沿って反応して堆積物の全体量を低減する。このようにして、単一のドーパントガス混合物により、炭素イオンの供給と、炭素注入中に典型的に遭遇する広範な問題堆積物の除去及び排除とが可能になる。
【選択図】図１
Description
本発明は、炭素注入中にイオン源の寿命を延長し、イオン源の性能を向上するための新規な方法及びシステムに関する。
イオン注入は半導体／マイクロエレクトロニクス製造において重要なプロセスである。イオン注入プロセスは、半導体ウェハーに制御された量のドーパントイオンを導入するために、集積回路製作に使用される。イオン源は、ドーパントガスからの様々なイオン種に対して輪郭明瞭なイオンビームを発生させるために使用される。ドーパントガスのイオン化によりイオン種が生成し、続いてこのイオン種を所与の被加工材に注入することができる。
炭素は、半導体産業において、共ドーパントの拡散の阻害やドープした部位の安定性の向上といった、様々な材料の変性用途に広く使用されるドーパントとして出現した。この点に関して、二酸化炭素（ＣＯ２）と一酸化炭素（ＣＯ）は、炭素注入のための２種の一般的に使用されるドーパントガス源である。しかし、ＣＯ２とＣＯはイオンチャンバーの表面に沿って堆積物を蓄積しやすい傾向にある。更なる堆積物がイオン源装置の電極表面に沿って生成し得る。堆積物はドーパントガスから直接生成し得るし、また、ドーパントガス及び／又はそのイオン化生成物とチャンバーの部品との相互作用から生成し得る。
このような堆積物の生成は問題を含んでいる。イオン注入システムにおける電極表面に沿った堆積物は、激しい高電圧放電を起こしやすい条件を創り出す。電圧放電は、一般的に「ビームグリッチ」といわれるビーム電流の瞬時の低下を起こす。引き出し口上の堆積物はビームの均一性を低下させ、ひいてはドープ部位のドーパントの均一性を低下させる。イオン源の運転時のビームの均一性及びビームグリッチの数（すなわちグリッチ率）が、例えば本技術分野において公知のリボンビームイオン注入システムのようなイオン注入システムの性能にとって重要な尺度となり得る。
プロセス感度に基づいて、それを超えれば注入プロセスを許容可能な効率で運転することができないグリッチ率及び／又はビーム不均一度に対する上限閾値が存在するようである。イオン源の性能がその上限閾値を超えて低下した場合には、使用者は注入運転を停止し、イオン源の整備又は交換を行わなくてはならない。そのような停止時間はイオン注入システムの生産性損失を起こす。それ故、効率的な注入プロセスを行うためには、イオン源の機能を長期間適正に保つことが望まれる。
後に議論するように、本発明の利点の中でもとりわけ、イオン注入プロセスの間、堆積物及びビームグリッチを最小化するための改良された方法及びシステムが望まれている。
発明の概要
本発明は、その一部は、イオン源の寿命を延長し、イオン源の性能を向上するための方法及びシステムに関する。利用するドーパントガスの組成は、イオン装置中の堆積物の蓄積を低減し、イオン源の性能を向上させる能力に顕著な影響を及ぼすことが見出された。
本発明は、その一部は、イオン源の寿命を延長し、イオン源の性能を向上するための方法及びシステムに関する。利用するドーパントガスの組成は、イオン装置中の堆積物の蓄積を低減し、イオン源の性能を向上させる能力に顕著な影響を及ぼすことが見出された。
一酸化炭素である第１炭素系種、及び式ＣｘＦｙで表され、ドーパントガス混合物の体積を基準として有効量の、炭素を伴うフッ素含有ガスである第２炭素系種を含むドーパントガス混合物を利用することにより、炭素注入プロセスの間の炭素系堆積物が低減され、タングステンの再成長及び酸化物堆積物が事実上排除されることが見出された。その結果、イオン源の寿命が延長される。加えて、イオンビームのグリッチが従来のイオン注入プロセス及びシステムに比較して顕著に減少する。生成するビーム電流は、所望の注入量でのイオン化されたドーパントガスの注入を達成するために十分な高いレベルに維持される。
第１の態様においては、イオン注入装置のイオン源の寿命を延長するための方法が提供される。ドーパントガス混合物はイオン源チャンバーに導入される。ドーパントガス混合物は、一酸化炭素及び１種以上の、式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される炭素を伴うフッ素含有ガスを含む。前記炭素を伴うフッ素含有ガスは有効量で存在する。炭素を伴うフッ素含有ガスからフッ素の少なくとも一部を放出させて、イオン源チャンバーの表面に沿って含まれる堆積物と反応させる。堆積物は実質的に炭素由来であり、更に酸化物堆積物が存在しないことで特徴付けられる。堆積物が量的に減少し、イオン源の寿命が延長される。
第２の態様においては、炭素イオンを生成し基材に注入するための方法が提供される。ドーパントガス混合物はイオン源チャンバーに導入される。ドーパントガス混合物は一酸化炭素である第１炭素系種、及び式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される、炭素を伴うフッ素含有ガスである第２炭素系種を有効量含む。前記第１炭素系種及び前記第２炭素系種の少なくとも一部はイオン化され、前記炭素イオンを生成する。
好都合なことに、本発明のシステムは市販のシステム部品を利用して構築することができるので、システム全体の組み立て及びその使用の方法を可能とし、また簡素化できる。イオン注入プロセスの態様は標準的な手法又は装置を使用して実施することが可能である。
添付の図面と関連した、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明の目的及び利点がよりよく理解されよう。図面全体を通じて同一の番号は同様の特徴を示し、各図は以下のとおりである。
発明の詳細な説明
本願明細書においては、全ての濃度は体積パーセンテージとして表す。図１に関し、本発明の基本概念に従った例示的なイオン源装置１００を示す。図１に描かれるイオン源装置１００は、ドーパントガス混合物のためのイオン化源として働く間接加熱カソード（ＩＨＣ）１１５を含む種々の部品を有する。本発明においては、これ以外のタイプの、例えばフリーマン型イオン源、ベルナス型イオン源及びＲＦプラズマイオン源を含む本技術分野で公知のイオン源を使用することができる点は理解されるべきである。図１のイオン源装置１００は、半導体基材中に注入する炭素イオンを生成するために好ましく使用される。後に説明するように、本発明は、装置１００の表面上への炭素系及び酸化物系堆積の量を顕著に低減することにより、従来の炭素ドーパント注入システムに比較して、イオン源の寿命を延長することを可能にする。本願明細書で使用する場合の用語「炭素系堆積物」は、元素状炭素、タングステンカーバイド、及びその他の炭素を含む堆積物を包含する。本願明細書で使用する場合の用語「酸化物系堆積物」は、例えば酸化タングステン（ＷＯｘ）などの種々のイオンチャンバー部品の酸化生成物を包含する。更に、本発明は好都合なことに、装置１００の表面上での元素状タングステン（Ｗ）の再成長を排除する。加えて、イオン源の総合性能が、炭素イオン注入用に生成した従来のイオンビーム源に比較して、ビームグリッチ率の低減及びビーム電流の均一化という点において改良される。
本願明細書においては、全ての濃度は体積パーセンテージとして表す。図１に関し、本発明の基本概念に従った例示的なイオン源装置１００を示す。図１に描かれるイオン源装置１００は、ドーパントガス混合物のためのイオン化源として働く間接加熱カソード（ＩＨＣ）１１５を含む種々の部品を有する。本発明においては、これ以外のタイプの、例えばフリーマン型イオン源、ベルナス型イオン源及びＲＦプラズマイオン源を含む本技術分野で公知のイオン源を使用することができる点は理解されるべきである。図１のイオン源装置１００は、半導体基材中に注入する炭素イオンを生成するために好ましく使用される。後に説明するように、本発明は、装置１００の表面上への炭素系及び酸化物系堆積の量を顕著に低減することにより、従来の炭素ドーパント注入システムに比較して、イオン源の寿命を延長することを可能にする。本願明細書で使用する場合の用語「炭素系堆積物」は、元素状炭素、タングステンカーバイド、及びその他の炭素を含む堆積物を包含する。本願明細書で使用する場合の用語「酸化物系堆積物」は、例えば酸化タングステン（ＷＯｘ）などの種々のイオンチャンバー部品の酸化生成物を包含する。更に、本発明は好都合なことに、装置１００の表面上での元素状タングステン（Ｗ）の再成長を排除する。加えて、イオン源の総合性能が、炭素イオン注入用に生成した従来のイオンビーム源に比較して、ビームグリッチ率の低減及びビーム電流の均一化という点において改良される。
図１を参照すると、ドーパントガス混合物１０２は、アークチャンバー壁１１１を貫いて延在するガス供給ライン１１３を通ってイオン源チャンバー１１２に導入される。本願明細書で使用する場合の用語「ドーパントガス混合物」は、ドーパントガス混合物中の種の各々が、所与の被加工材中への所望のイオン種の注入に寄与することを意味する。好ましい実施形態において、ドーパントガス混合物１０２は２種の炭素系種を含む炭素ドーパントガス混合物である。第１炭素系種はＣＯである。第２炭素系種は炭素を伴うフッ素含有ガスである。電源（図示せず）から所定の電圧を印加して、ＩＨＣ１１５の近傍に位置するフィラメント１１４を電気抵抗により加熱することにより、チャンバー１１２内の炭素ドーパントガス混合物１０２はイオン化に供される。フィラメント１１４はＩＨＣ１１５に対して負にバイアス印加されてもよい。絶縁体１１８はＩＨＣ１１５をアークチャンバー壁１１１から電気的及び熱的に隔離する。フィラメント１１４から放射される電子はＩＨＣ１１５に向かって加速し、それ自体の熱イオン放射温度までＩＨＣを加熱する。カソード１１５により放射された電子はアークチャンバー１１２に向けて加速、進行し、その内部に位置する炭素ドーパントガス混合物１０２をイオン化する。炭素ドーパントガス混合物１０２のイオン化されたガス分子はプラズマ環境を作り出す。ＩＨＣ１１５と正反対の位置に反射電極１１６を設置することにより、プラズマ環境を閉じ込め、チャンバー１１２内のドーパントガス混合物１０２のイオン化を制御することができる。炭素ドーパントガス混合物１０２をイオン化することにより、フッ素アニオン、カチオン、ラジカル又はそれらの組み合わせの何れかとしてフッ素が放出され、このフッ素は、壁１１１、フィラメント１１４、抑制電極１１９、外側電極１２０及び／又は反射電極１１６の表面に蓄積されている炭素堆積物を浸食することによりインシチュで反応することができる。このような堆積物は揮発性のフッ素化炭素に転化され、それによって、種々の表面に沿った炭素系堆積物の総蓄積を低減する。加えて、フッ化物イオン及びラジカルは同時に、ドーパントガス混合物のイオン化により生成し、気相に存在する炭素イオン及び炭素ラジカルと再結合することができる。その結果、チャンバー１１２内において更に炭素系堆積が起こることが防止される。最終的な結果は、イオン源装置１００の表面に沿った炭素系堆積物の顕著な減少である。
炭素を伴うフッ素含有ガスの上記の浄化効果に加えて、ドーパントガス混合物のそれぞれの種はイオン化すると炭素イオンを生成し、この炭素イオンは生じる炭素イオンビームの一部を形成する。このようにして、従来技術とは異なり、本発明は、ドーパントガス混合物の種の各々が注入のための炭素イオン源を提供すると同時に、インシチュでの堆積物の自己浄化と特定のタイプの堆積（すなわち、Ｗ再成長及び酸化物系堆積物）の防止を可能とするという２重の目的をもつドーパントガス混合物を利用するのである。
炭素イオンは、所望のエネルギーの炭素イオンビームの形態でイオン源チャンバー１１２より引き出される。炭素イオンビームを適切に引き出す手法は、抑制電極１１９及び外側電極１２０から成る引き出し電極の両端間に高電圧を印加することにより実施できる。図１に示すように、これらの抑制電極１１９及び外側電極１２０の各々は引き出し口１１７と直線上に並ぶ開口部を有し、アークチャンバー１１２から引き出されるイオンビーム１２１が輪郭明瞭となることを確保する。得られるイオンビーム１２１を質量分析計／フィルターを通過せしめて、被加工材中に注入する特定の質量のイオンを選択することができる。次に、半導体ウェハーなどの被加工材中に炭素イオンを注入するために、イオンビーム１２１をその表面へと移送することができる。ビーム１２１の炭素イオンは半導体ウェハーの表面を貫通し、所望の電気的及び／又は物理的特性を有する一定の深度のドープ部位を形成する。
出願人らはＣＯ２に対するＣＯの有益性を認識した。ドーパントガス混合物１０２のＣＯ種はイオン源チャンバー１１２の環境において還元性ガスとして挙動する。一方、ＣＯ２は酸化性のガスとして挙動し、タングステン製チャンバー部品を酸化してＷＯｘ堆積物を形成しやすい。これらのＷＯｘ堆積物は、典型的には装置１００の反射電極１１６、カソード電極１１５及び／又は引き出しアセンブリ（すなわち抑制電極１１９及び外側電極１２０）の部位中に見出される。ＷＯｘ堆積物は本来的に導電性となり得、イオン源グリッチのみならず電気的短絡も起こす可能性がある。問題を一層悪化させることには、ＷＯｘ堆積物はイオンビームラインに粒子を生成する。加えて、Ｗ被覆又は他のＷ部品上にＷＯｘが生成するとその電気特性が劣悪化し、それにより安定なプラズマを維持するために一層高い電圧を必要とするようになる。
ＣＯはそのような加工過程の難題を回避する。ＣＯ種の還元的性質は、イオン源装置１００の表面に沿って如何なる酸化物層の形成も検出されない程度に、酸化物堆積物層を形成させない環境をチャンバー１１２中に創出する。ＣＯ２に比較してＣＯの酸素含有の欠如がＷＯｘ堆積物の蓄積を低減するが、多量の炭素堆積物及びタングステンカーバイド堆積物を生成するゆえに、ＣＯはそれ自体炭素イオン注入に対して好適なドーパントガス源ではない。具体的には、Ｃ堆積物はＣＯのプラズマ分解の結果として生成可能であり、一方、ＷＣ堆積物はＣＯ及びそのプラズマ断片化生成物とＷチャンバー部品との相互作用により生成可能である。
ＣＯ単独から生成する炭素系堆積物を低減するために、出願人らは、ＣＯと炭素を伴うフッ素含有ガスとを組み合わせたドーパントガス混合物が非常によく作用して、ＣＯを単独で使用した場合に観察される炭素堆積を低減することを確認した。好ましい実施形態において、フッ素含有ガスは酸素を含まない四フッ化炭素（ＣＦ４）である。代替の実施形態においては、フッ素含有ガスは酸素を含まないハイドロフルオロカーボンとすることができる。
更に別の実施形態において、式ＣａＦｂ（式中ａ≧２及びｂ≧２である）の高次フルオロカーボンと混合したＣＯもまた、ドーパントガス混合物を形成するために使用することができると考えられる。好適な高次フルオロカーボンであるフッ素含有ガスの例としては、以下に限定されるものではないが、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２Ｆ４、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８が挙げられる。
酸化物層の成長を排除し、より長期のイオン源の寿命、低いビームグリッチ率及び均一なビーム電流を維持する目的では、ドーパントガス混合物全体を一酸化炭素とフッ素含有ガスとの組み合わせのみから構成し、特に追加的な酸素の配合は排除する。
更に出願人らは、炭素注入に対して所望の性能を達成するためには、本発明に係るドーパントガス混合物中のフッ素含有ガスの濃度を狭い範囲に維持することが必要であることを証明した。ドーパントガス混合物中のフッ素含有ガスの濃度は、ドーパントガス混合物の体積を基準として、約１％〜約２０％、好ましくは約３％から約１３％までの間、より好ましくは約５％から約１０％までの間である。フッ素含有ガスが下限よりも低い場合には、炭素堆積が許容できない高い水準にまで増加して、イオン源の寿命を大幅に短縮する傾向がある。一方、フッ素含有ガスが上限を超える場合には、フッ素はタングステンから作られたチャンバー部品と相互作用をもつ傾向にあり、それにより揮発性のタングステンフッ化物（例えばＷＦｘ、式中ｘ＝１〜６である）を生成させ、その後タングステンフッ化物はイオン源中のより高温の表面へと移動し、そこで元素状タングステン（Ｗ）として再堆積することがあり、潜在的に早過ぎるイオン源の不具合を起こすことがある。特定の組成範囲のフッ素含有ガスを有するドーパントガス混合物を用いてイオン源装置１００を運転することにより、予想外にも十分な量のフッ素が供給されて、未だ上限を超えていない炭素由来のチャンバー表面上への堆積物の量を低減し、それによってタングステンの再堆積が生じやすくなる。
従って、特定の濃度範囲内でＣＯをフッ素含有ガスと組み合わせることにより、ＣＯ及びフッ素含有ガスのもつ、それぞれ炭素イオンをつくる能力及び十分なビーム電流を有する炭素イオンビームをつくる能力を損なうことなく、多岐にわたる問題を含んだ、チャンバー１１２の表面上への堆積物を最小化することができる、改良されたドーパントガス混合物が創出される。特定の濃度範囲内のドーパントガス混合物は、堆積を低減することができ、しかしなお、生産性に関する要求を満たすために必要とされるイオンビーム電流を維持することができる新規なハイブリッド組成物である。
出願人らは、以下議論するように、本発明のドーパントガス混合物をその他のドーパントガス材料と比較するために、いくつかの実験を実施した。
（比較例１）
ＣＯ２から成る、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。イオン化チャンバー内のＷＯｘ堆積物の蓄積により、短い運転継続時間の後にイオン化プロセスを中止せざるを得なかった。図２は、イオン源チャンバー内に配置された基材上に生成した堆積物を示しており、イオン化チャンバー内に生成した堆積物の程度を表している。基材板上の堆積物を、本技術分野で公知のＸ線分光分析の手法により分析した。ＷＯｘ堆積物は本来的に薄片状を呈していた。過度に残渣が生成したこと及びイオン源の寿命が短かったことは、ＣＯ２プラズマの酸化的性質に起因し、この酸化的性質がイオン源チャンバー内のタングステン（Ｗ）部品の酸化を起こし、酸化タングステン（ＷＯｘ）堆積物を生成した。
ＣＯ２から成る、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。イオン化チャンバー内のＷＯｘ堆積物の蓄積により、短い運転継続時間の後にイオン化プロセスを中止せざるを得なかった。図２は、イオン源チャンバー内に配置された基材上に生成した堆積物を示しており、イオン化チャンバー内に生成した堆積物の程度を表している。基材板上の堆積物を、本技術分野で公知のＸ線分光分析の手法により分析した。ＷＯｘ堆積物は本来的に薄片状を呈していた。過度に残渣が生成したこと及びイオン源の寿命が短かったことは、ＣＯ２プラズマの酸化的性質に起因し、この酸化的性質がイオン源チャンバー内のタングステン（Ｗ）部品の酸化を起こし、酸化タングステン（ＷＯｘ）堆積物を生成した。
（比較例２）
純粋なＣＯから成る、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。ＷＯｘ堆積物は検出されなかったが、純粋なＣＯをドーパントガス源として利用することは、イオン源運転時、重度の炭素（Ｃ）堆積物及びタングステンカーバイド（ＷＣ）堆積物の生成を起こすことが観察された（図３）。堆積物をＸ線分光分析により分析した。観察されたＣ及びＷＣ堆積物がイオンビームのグリッチを引き起こし、それがイオン化プロセスの間のビーム電流の不安定化を起こしたために、イオン化プロセスを中止せざるを得なかった。Ｃ堆積物はＣＯのプラズマ分解の結果であり、ＷＣ堆積物はＣＯ及びそのプラズマ分解生成物とタングステンチャンバー部品との相互作用の結果であると考えられる。Ｃ／ＷＣ堆積物の効果はＷＯｘと同様であり、結果としてＣＯ系ドーパントガスは、ＣＯ２系ドーパントガス混合物と同様にイオン源の寿命が短いという懸念をもった。
純粋なＣＯから成る、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。ＷＯｘ堆積物は検出されなかったが、純粋なＣＯをドーパントガス源として利用することは、イオン源運転時、重度の炭素（Ｃ）堆積物及びタングステンカーバイド（ＷＣ）堆積物の生成を起こすことが観察された（図３）。堆積物をＸ線分光分析により分析した。観察されたＣ及びＷＣ堆積物がイオンビームのグリッチを引き起こし、それがイオン化プロセスの間のビーム電流の不安定化を起こしたために、イオン化プロセスを中止せざるを得なかった。Ｃ堆積物はＣＯのプラズマ分解の結果であり、ＷＣ堆積物はＣＯ及びそのプラズマ分解生成物とタングステンチャンバー部品との相互作用の結果であると考えられる。Ｃ／ＷＣ堆積物の効果はＷＯｘと同様であり、結果としてＣＯ系ドーパントガスは、ＣＯ２系ドーパントガス混合物と同様にイオン源の寿命が短いという懸念をもった。
（例３）
ＣＯ及び体積基準で１０％のＣＦ４から成るドーパントガスの、炭素イオンのビームを生成するための能力を評価するために、上記の試験を実施したのと同一のイオン源チャンバーを利用してイオン化試験を実施した。基材板の周囲の堆積物のより明色の輪状の部分によって示されるように、基材板の表面に沿って観察された堆積物の量は、純粋なＣＯ又はＣＯ２系ドーパントガスを利用した場合に生成した堆積物よりも実質的に少なかった。ＣＯ＋１０％ＣＦ４を利用することにより、酸化物堆積物、炭素堆積物、タングステンカーバイド堆積物又は酸化タングステン堆積物の何れも顕著な蓄積を起こさないことが観察された（図４）。Ｘ線分光分析による堆積物の分析により多少の炭素堆積が示されたが、イオンビームのグリッチが起こる程度ではなかった。
ＣＯ及び体積基準で１０％のＣＦ４から成るドーパントガスの、炭素イオンのビームを生成するための能力を評価するために、上記の試験を実施したのと同一のイオン源チャンバーを利用してイオン化試験を実施した。基材板の周囲の堆積物のより明色の輪状の部分によって示されるように、基材板の表面に沿って観察された堆積物の量は、純粋なＣＯ又はＣＯ２系ドーパントガスを利用した場合に生成した堆積物よりも実質的に少なかった。ＣＯ＋１０％ＣＦ４を利用することにより、酸化物堆積物、炭素堆積物、タングステンカーバイド堆積物又は酸化タングステン堆積物の何れも顕著な蓄積を起こさないことが観察された（図４）。Ｘ線分光分析による堆積物の分析により多少の炭素堆積が示されたが、イオンビームのグリッチが起こる程度ではなかった。
上記例１〜３における試験は、ＣＯ＋１０％ＣＦ４はＣＯ単独又はＣＯ２系ドーパントガス混合物よりもより良く作用したことを証明している。以下に示す次の一連の試験では、種々のドーパントガス混合物中のＣＦ４の濃度水準を、残余をＣＯとして比較した。
（例４）
ベースラインを確定すること及び比較例２で得られた結果を確認することを目的として、ＣＯから成りＣＦ４を含まない、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。利用したイオン源装置は図１に示すものと同様のものであった。ＣＯドーパントガスをイオン源装置に導入した。電圧をイオン源ＩＨＣに印加してＣＯをイオン化した。図５に示すように、イオン化プロセスの間、抑制電極の表面に沿って多量のＣ及びＷＣ堆積物が観察された。
ベースラインを確定すること及び比較例２で得られた結果を確認することを目的として、ＣＯから成りＣＦ４を含まない、炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するためにイオン化試験を実施した。利用したイオン源装置は図１に示すものと同様のものであった。ＣＯドーパントガスをイオン源装置に導入した。電圧をイオン源ＩＨＣに印加してＣＯをイオン化した。図５に示すように、イオン化プロセスの間、抑制電極の表面に沿って多量のＣ及びＷＣ堆積物が観察された。
（例５）
図１のイオン源装置１００においてＣＯを使用する時のベースラインを確定した後、ＣＯ＋５％ＣＦ４であるドーパントガス混合物を用いてイオン化試験を実施した。ドーパントガス混合物のイオン化の間、図６ａに示すように、抑制電極の表面に沿って比較的少量の炭素系堆積物（Ｃ及びＷＣ）が観察された。図６ｂに示すように、反射電極表面に沿ってウィスカー様の構造は存在しないことから明白なように、反射電極に沿ってＷ再成長はほとんど観察されなかった。
図１のイオン源装置１００においてＣＯを使用する時のベースラインを確定した後、ＣＯ＋５％ＣＦ４であるドーパントガス混合物を用いてイオン化試験を実施した。ドーパントガス混合物のイオン化の間、図６ａに示すように、抑制電極の表面に沿って比較的少量の炭素系堆積物（Ｃ及びＷＣ）が観察された。図６ｂに示すように、反射電極表面に沿ってウィスカー様の構造は存在しないことから明白なように、反射電極に沿ってＷ再成長はほとんど観察されなかった。
（例６）
ＣＯ及び体積基準にて１０％ＣＦ４から成る炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するために、図１のイオンビーム装置を利用してイオン化試験を実施した。ドーパントガス混合物のイオン化の間、図７ａに示すように、抑制電極の表面に沿って比較的少量の炭素系堆積物（Ｃ及びＷＣ）が観察された。Ｃ及びＷＣ堆積物の量は図６ａのそれに匹敵した。図７ｂに示すように、反射電極表面に沿って若干のＷウィスカー様構造が観察された。
ＣＯ及び体積基準にて１０％ＣＦ４から成る炭素イオンのビームを生成するためのドーパントガスの能力を評価するために、図１のイオンビーム装置を利用してイオン化試験を実施した。ドーパントガス混合物のイオン化の間、図７ａに示すように、抑制電極の表面に沿って比較的少量の炭素系堆積物（Ｃ及びＷＣ）が観察された。Ｃ及びＷＣ堆積物の量は図６ａのそれに匹敵した。図７ｂに示すように、反射電極表面に沿って若干のＷウィスカー様構造が観察された。
（例７）
ドーパントガス混合物としてＣＯ＋１５％ＣＦ４を利用して別のイオン化試験を行った。抑制電極表面に沿ったＣ及びＷＣ堆積物の量を図８ａに示す。観察されたＣ及びＷＣ堆積物の量は、例５においてＣＯ＋５％ＣＦ４をイオン化した時及び例６においてＣＯ＋１０％ＣＦ４をイオン化した時のそれに匹敵した。しかし、図８ｂに示すように、反射電極表面に沿って観察されたＷ再成長の量は、以前の試験に比較して顕著に多かった。
ドーパントガス混合物としてＣＯ＋１５％ＣＦ４を利用して別のイオン化試験を行った。抑制電極表面に沿ったＣ及びＷＣ堆積物の量を図８ａに示す。観察されたＣ及びＷＣ堆積物の量は、例５においてＣＯ＋５％ＣＦ４をイオン化した時及び例６においてＣＯ＋１０％ＣＦ４をイオン化した時のそれに匹敵した。しかし、図８ｂに示すように、反射電極表面に沿って観察されたＷ再成長の量は、以前の試験に比較して顕著に多かった。
上記例４〜７における試験は、多量のＣＦ４を含むドーパントガス混合物が必ずしもＣ、ＷＣ及びＷ堆積の量を最小化するものではないことを示している。実験は、ドーパントガス混合物中のＣＦ４濃度に上限があることを明らかにしている。具体的には、上記例は、１５％ＣＦ４添加のドーパントガス混合物が、図８ｂに示すように、反射電極上における過度のＷ再成長を起こすことを示している。過度のＷ堆積はイオン源の性能に悪影響を与え、イオン源の寿命の短縮を起こす。従って、堆積物の生成を最小化するＣＦ４の濃度範囲が存在するように思われる。
ビーム電流が十分に高いことによって計られる適切なイオンビームの性能は、ドーパントガス混合物が示さなければならないもう一つの設計上の属性である。ビーム電流が低い場合には、イオン装置をより過酷に運転しなければならない（すなわち、より多くの電力消費必要量を利用する）。結果として、被加工材に注入するドーパントの必要な注入量に達するためには被加工材をより長時間処理する必要がある。加工時間がより長く、電力消費必要量がより高くなることは、ビーム設備の生産性が実質的に低下し、イオン源がより早く劣化しやすくなることと同義である。更に、所与のドーパントガスがより高いビーム電流を発生することが可能であるとしても、処理時間がより長くなるので、ドーパントガスはより多量の堆積物を蓄積しがちであり、それによりイオン源に、より頻繁なビームグリッチ及び／又はビーム電流の不均一化を生じる。例として、ＣＯはそれ自体比較的高いビーム電流を生成することが可能であるが、イオン源の寿命を相当に短縮するほどの多量の炭素及びタングステンカーバイドの堆積物を堆積する傾向にあるので、所望の被加工材の生産性は決して実現されない。従って、所望のドーパントの注入量を達成し、許容可能な生産性を維持するためには、ドーパントガス混合物は、イオン注入プロセスを通じて堆積を最小化しつつ、十分に高く均一なビーム電流を生成し、それを維持することができなければならない。
本発明においては、ＣＯ及び式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される第２炭素系種を含むドーパントガス混合物をイオン源チャンバーに導入することが、ＣｘＦｙが最適な濃度範囲で存在する場合に、イオン源の寿命とイオン源の性能との不可欠なバランスを達成できることが見出された。一般的に、炭素を伴うフッ素含有種（すなわちＣｘＦｙ）の水準が高過ぎるとビーム電流の水準が許容できない程度に低くなる結果となり、ＣｘＦｙ種の水準が低過ぎると炭素及びタングステンの堆積量が多くなり、したがってイオン源の寿命が劣る結果となる。約３〜１２体積パーセント（ｖｏｌ％）という特定のＣｘＦｙの範囲とすることにより、従来の炭素イオン注入プロセスに比較して、十分なイオン源寿命と改良されたイオン源性能とが達成されるのである。
ＣＯを複数のフッ素含有Ｃガスと混合して所望のドーパントガス混合物を達成してもよい。フッ素含有Ｃガスは、以下に限定されるものではないが、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２Ｆ４、Ｃ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８より選択してもよい。
本発明の或る一定の実施形態と考えられるものについて記載してきたが、言うまでもなく、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限りにおいて、形式や細部におけるさまざまな修正及び変更は容易になすことができるものと理解していただきたい。従って、本発明は、本願明細書に記載した形式及び細部そのものにも、本願明細書に開示され、後に権利主張される本発明の全体よりも狭い何ものにも限定されることのないことが意図されている。
１００ イオン源装置
１０２ ドーパントガス混合物、炭素ドーパントガス混合物
１１２ イオン源チャンバー、アークチャンバー
１１５ 間接加熱カソード（ＩＨＣ）
１１６ 反射電極
１１９ 抑制電極
１２０ 外側電極
１２１ イオンビーム
１０２ ドーパントガス混合物、炭素ドーパントガス混合物
１１２ イオン源チャンバー、アークチャンバー
１１５ 間接加熱カソード（ＩＨＣ）
１１６ 反射電極
１１９ 抑制電極
１２０ 外側電極
１２１ イオンビーム
Claims (17)
- イオン注入装置のイオン源の寿命を延長するための方法であって、
ドーパントガス混合物をイオン源チャンバーに導入するステップであって、前記ドーパントガス混合物が、一酸化炭素及び１種以上の、式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表される炭素を伴うフッ素含有ガスを含み、前記炭素を伴うフッ素含有ガスが有効量で存在するステップと、
フッ素の少なくとも一部を、前記炭素を伴うフッ素含有ガスから放出させて、イオン源チャンバーの表面に沿って含まれる堆積物と反応させるステップであって、前記堆積物が実質的に炭素由来であり、かつ酸化物堆積物が存在しないことによって特徴付けられるものであるステップと、
前記堆積物の量を低減してイオン源の寿命を延長するステップと
を含む、方法。 - 前記炭素を伴うフッ素含有ガスの少なくとも１種が、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約１〜２０体積％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスの少なくとも１種が、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１５体積％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスの少なくとも１種が、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約５〜１０体積％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ４及びそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１０体積％の有効量のＣＦ４である、請求項１に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１０体積％の有効量のＣ２Ｆ６である、請求項１に記載の方法。
- 炭素イオンを生成し、基材に注入するための方法であって、
ドーパントガス混合物をイオン源チャンバーに導入するステップであって、前記ドーパントガス混合物が、一酸化炭素である第１炭素系種、及び式ＣｘＦｙ（式中ｘ≧１及びｙ≧１である）で表され、かつ有効量で存在する炭素を伴うフッ素含有ガスである第２炭素系種を含むステップと、
前記第１炭素系種及び前記第２炭素系種の少なくとも一部をイオン化して、前記炭素イオンを生成するステップと
を含む、方法。 - 前記炭素イオンをフィルターにかけるステップと、
前記炭素イオンをイオン源チャンバーから引き出すステップと、
前記炭素イオンを被加工材の表面の方へ向かわせるステップと
を更に含む、請求項８に記載の方法。 - 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１０体積％の量で存在する、請求項８に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ４及びそれらの混合物からなる群より選択される、請求項８に記載の方法。
- 前記炭素を伴うフッ素含有ガスが、前記ドーパントガス混合物の体積を基準として約３〜１０体積％の有効量のＣＦ４である、請求項８に記載の方法。
- 前記イオン注入装置が酸化物堆積物の生成を防止するのに十分な条件下で運転される、請求項８に記載の方法。
- フッ素の放出により、前記堆積物と反応するフッ化物イオン若しくはフッ化物ラジカル又はそれらの組み合わせが生成される、請求項８に記載の方法。
- 放出されたフッ素が前記イオン源チャンバー内で炭素イオンと反応して、更なる炭素堆積物の生成を防止する、請求項８に記載の方法。
- 前記ドーパントガス混合物に水素を添加して、第２炭素系種をハイドロフルオロカーボンに転換するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
- 請求項８に記載の方法により製造される炭素注入された半導体ウェハー。
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